基于差动变压器的编织式钢丝绳损伤检测传感器

王　兵，邵　帅，华晋伟，林　森

(1．辽宁省产品质量监督检验院，辽宁沈阳　110032；2．辽河油田公司资产装备部，辽宁盘锦　124010；3．沈阳工业大学信息中心，辽宁沈阳　110870)

0　引言

文中主要针对编织式钢丝绳损伤的信号检测传感器的设计问题，这类钢丝绳主要用于电力系统中的送电工程用来悬挂电线，其截面不是圆形而是近似方形。由于它采用了一种特殊的方式，像编织的一样，因此称作编织式钢丝绳。这种钢丝绳具有许多优点，如灵活、扭曲后无痕迹，所以非常适合牵引。编织式钢丝绳的工作环境非常恶劣，且要求具有高可靠性的强度，这就需要维修与检测。因其特殊的结构和维修工艺，现有的检测技术不能满足操作要求。

文中采用基于主磁通原理的磁阻监测原理，实现这种钢丝绳的断丝检测，其特点是输出信号明显，但背景噪声复杂。文中采用差动变压器作为传感器，以提高损伤信号的灵敏度，所以差动变压器结构的设计决定了信号处理的精确程度。

1　用于钢丝检测的差动变压器原理

在文中钢丝绳用作电枢，如图1所示。如果钢丝里有损伤，磁阻将会发生变化，沿着轴线移动钢丝，会使两个次级绕组产生变化的的感应电动势，输出电压。磁阻变化是由电枢与常见差动变压器内铁之间的气隙隙变化引起的，这代表损伤钢丝的变化。常见的差动变压器的电枢位置发生变化时，次级绕组的互感M1、M2会发生变化。当用于钢丝检测时，M2、M1由磁阻决定，其信号的特点是差动的。

图1　用于钢丝检测的差动变压器原理

由于钢丝的直径φ≤30 mm，单回路励磁可以满足要求，但内径应足够大使焊接点能通过。该传感器是由励磁线圈、检测线圈、支架和铁轭组成，支架使用绝缘尼龙制成。为减少漏磁通，支架由具有导磁能力的铁轭覆盖。励磁线圈缠绕在中间，检测线圈对称的缠绕在两侧。为了增强输出信号，采用线圈的匝数比为1∶1，与此同时，焊接两个固定轮保证钢丝移动时位于轴线上，增强磁导及其检测效果，如图2所示。

图2　传感器结构

2　传感器的电磁分析

为了简化问题，对于图2所示传感器结构的磁路，根据对称性取磁路的一半进行分析。

根据基尔霍夫的磁路法：∑Hili=∑NI，即：

NIφ=H1l1+H12L+H3l3

(1)

式中：Iφ为激磁电流；N为激磁线圈匝数；H1、H2、H3分别为铁轭、传感器内钢丝绳、气隙的磁场强度；l1、l2、l3分别为各部分对应的有效磁路长度。

(2)

如果考虑铁耗，有

根据式(2)

(3)

把φ=BS带入式(3)有

(4)

对式(4)两边求导

(5)

带入式(5)得

(6)

从式(6)可以得出

所以可以通过如下手段提高传感器的灵敏度：

(a)没有损伤时的磁感应强度

(b)损伤在右边时的磁感应强度

(c)损伤在左边时的磁感应强度

(d)损伤在中间时的磁感应强度

(1)提高线圈的品质因数；

(2)选择较高的励磁频率；

(3)在不增大传感器尺寸的情况下增加绕组的线圈数；

(4)在不使线圈过热的情况下增加励磁电压；

(5)缩短传感器的气隙长度；

(6)轴的长度应设计的短些。

3　电磁仿真

利用ANSYS电磁场的便利，仿真不同的激励电压﹑不同损伤位置时的磁感应强度。

从图3，可以发现大部分的磁力线通过铁轭和钢丝，只有一些漏磁通，但检测结果不受影响；在图3(b)和图3(c)中，损伤发生在次级线圈的对称位置上，可以发现漏磁没有出现在破裂处的附近，漏磁是由于所加10 V激励使磁路饱和而引起的，所以主磁通不受影响。此外，磁感应强度的增加，是由损伤引起的；从图3(d)可以看到，当损伤出现在传感器轴线时，磁力线分布是完全对称的，所以采用差动变压器作为传感器是合理的。

表1记录了10.03 V激磁电压时，不同损伤产生的不同电压，U21和U22是传感器的次级线圈对称位置的输出电压，U2是损伤在轴线时的输出电压。从图4可以看到，输出电压随着损伤的增加而近似线性的增加。此外，从表1可以看到，U21和U22接近，符合基本要求。

4　结束语

利用差动变压器原边的线性激励和副边两个绕组的反接，可以实现钢丝绳断丝的在线检测。理论分析和仿真分析结果和文本数据证实了，文中研究构思的合理性。

表1　不同损伤产生的差动电压

图4　不同损伤产生的不同电压

参考文献：

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[2]GUO A F,YANG J Y,ZHANG X H．The Character Analyse of Differential Transformer．Zhengzhou Institue of Textile Technolgy Transaction，1996(4)：62-65．

[3]HU M J,YANG T Z,XU B,et al．The Study of Differntial Transform Sensitivity．Zhengzhou Institue of Light Industry Technology Transaction，2004(2):49-51．